月球無線通信技術(shù)發(fā)展研究

陳 飛

（諾基亞通信投資（中國）有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引 言

月球通信是進(jìn)行月球探索的基礎(chǔ)和支撐，同時(shí)也是月球探測(cè)的重要保證，在探測(cè)過程中占據(jù)著舉足輕重的地位。通信技術(shù)在人類深空探測(cè)活動(dòng)中肩負(fù)著傳輸控制指令和數(shù)據(jù)信息的重要任務(wù)，是天、地、空一體化信息交互的重要手段。通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要結(jié)合月球極地軟著陸探測(cè)任務(wù)的實(shí)際情況，根據(jù)任務(wù)的特點(diǎn)和要求進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)工作。傳統(tǒng)的微波通信技術(shù)雖然具備成本較低、技術(shù)成熟以及周期短的優(yōu)勢(shì)，但也存在著信道容量受阻和傳輸方向性差的問題，并不能夠支持在月球上開展無線通信任務(wù)。而最新研究的空間光通信技術(shù)以激光光束作為傳輸介質(zhì)，優(yōu)點(diǎn)在于波束擴(kuò)散較小，相比傳統(tǒng)微波通信有較高的數(shù)據(jù)傳輸性能，并且保密性好、設(shè)備體積小。隨著這項(xiàng)技術(shù)的迅速發(fā)展，有望成為未來月球通信技術(shù)的重要設(shè)施。此外，由于月球和地球宇宙空間的特殊性，地球與月球處于相互對(duì)立面，地球看不見月球的背面，月球也不能每天都看到地面，尤其是靠近月極的地區(qū)，會(huì)有半個(gè)月左右的時(shí)間與地面的仰角非常小，不能直接看到地面。針對(duì)月球這些看不見的地方，則需要地球軌道衛(wèi)星系統(tǒng)與地面站建立直接通信鏈路。由于傳統(tǒng)的衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)此無法解決，因此本文提出研制專用的中繼通信衛(wèi)星。

1 月球無線通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 月球環(huán)境條件

20世紀(jì)60年代和70年代，月球中繼通信衛(wèi)星的研究工作跟隨探月任務(wù)興起，并根據(jù)阿波羅登月計(jì)劃進(jìn)行論證研究工作。該項(xiàng)目相關(guān)研究大學(xué)和機(jī)構(gòu)部門對(duì)月球中繼通信系統(tǒng)展開了探索與研究，并針對(duì)于月球通信技術(shù)的問題提出了許多月球中繼通信系統(tǒng)的解決方法。由于各種阻礙限制，該項(xiàng)研究最后未能進(jìn)行實(shí)際操作，但其對(duì)未來的月球探測(cè)任務(wù)來說具有可靠的參考依據(jù)，并提供了大量的真實(shí)數(shù)據(jù)。

月球探測(cè)中，必須保證數(shù)據(jù)信息在航天器之間高速傳輸并能夠可靠地傳遞回研究基地。無線通信衛(wèi)星從月球軌道到月球表面之間，在距離上存在著難以跨越的橫溝，因此需要采用無線通信鏈路來提高數(shù)據(jù)傳輸速率。針對(duì)月球探測(cè)任務(wù)，在每個(gè)階段都對(duì)地面站有著嚴(yán)格要求，其中包括能夠與載人航天器和宇航員進(jìn)行控制通信和實(shí)時(shí)測(cè)量等[1]。而且月球上面存在著各種類型的障礙，因此地面監(jiān)視控制站和軌道衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)載人衛(wèi)星進(jìn)行探測(cè)存在一定難度，需要月球無線通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連續(xù)無縫地進(jìn)行實(shí)時(shí)覆蓋。另外，月球探測(cè)無線通信過程中，真空和月球表面是兩個(gè)傳輸信道媒介，由于真空和月球表面具有特殊性，導(dǎo)致傳輸更加困難。雖然在地空信息傳輸過程中需要在各個(gè)飛行階段對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，但由于地面站可以對(duì)探測(cè)器形成支撐作用，完成對(duì)通信信號(hào)的檢測(cè)，因此在這個(gè)階段不需要立即開發(fā)專用的無線通信系統(tǒng)。另外，在月球無線通信技術(shù)中，低空通信信號(hào)鏈路的多徑效應(yīng)效果比自由空間通信信號(hào)鏈路更好，但月球?qū)儆谧杂煽臻g通信系統(tǒng)，擁有月球巖石撞擊坑等復(fù)雜的多徑環(huán)境，會(huì)導(dǎo)致月球探測(cè)器在移動(dòng)過程中產(chǎn)生不穩(wěn)定性以及隨機(jī)性[2]。因此，無線通信系統(tǒng)必須具備抗多徑的技術(shù)。在探月和登陸任務(wù)中，由于月球背面的情況更加復(fù)雜，探測(cè)難度較高，而其又與地球的關(guān)系較為特殊，因此展開月球背面的通信技術(shù)顯得尤為重要。月球背面如圖1所示。

圖1 月球背面

1.2 探月系統(tǒng)的應(yīng)用

探月系統(tǒng)主要是采集月面信息，通過空曠的空間通道發(fā)送給地面接收器，進(jìn)行信號(hào)的接收和處理。中國嫦娥三號(hào)探月工程的五大系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 嫦娥三號(hào)三月工程的五大系統(tǒng)

月球無線通信系統(tǒng)主要由自由空間信道探月系統(tǒng)和光學(xué)地面站通信終端共同組成。其中，光學(xué)地面站通信終端的設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)接收起著重要作用。在傳統(tǒng)的地面接收器中，使用更大孔徑的望遠(yuǎn)鏡來接收信號(hào)。此類望遠(yuǎn)鏡不僅體積十分龐大，而且在維護(hù)方面需要花費(fèi)很多成本，維護(hù)操作系數(shù)難度一般較高。在最新的研究中，從月球到地面的光通信系統(tǒng)接收端的設(shè)計(jì)采用了陣列望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。陣列望遠(yuǎn)鏡接收端可以同步控制接收到的信號(hào)，當(dāng)陣列中望遠(yuǎn)鏡的數(shù)目過大的時(shí)候，可以對(duì)陣列進(jìn)行分簇，從而實(shí)現(xiàn)部分信號(hào)的組合操作[3]。

合并后的信號(hào)通過地面上的高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步傳輸?shù)街醒胄盘?hào)處理基地，并且能夠在那里對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼和整形。此外，望遠(yuǎn)鏡之間的距離可以達(dá)到數(shù)百米，使得信號(hào)的空間分集接收更加合理。建立地面站與著陸器的通信鏈接，并建立詳細(xì)測(cè)量員和中繼衛(wèi)星之間的信息傳遞方式。其中，登陸探頭地對(duì)地測(cè)控通信鏈接主要負(fù)責(zé)登陸前月球測(cè)控通信任務(wù)。根據(jù)無線通信技術(shù)提出深空環(huán)境下的協(xié)議系統(tǒng)，基于DTN技術(shù)建立一個(gè)全新的協(xié)議系統(tǒng)，并將實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的長期運(yùn)用視作發(fā)展目標(biāo)。

基于DTN技術(shù)構(gòu)建的協(xié)議系統(tǒng)覆蓋了以往協(xié)議系統(tǒng)的功能和作用，其系統(tǒng)級(jí)別較高。利用DTN技術(shù)可以有效解決儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的時(shí)延和鏈路不連續(xù)帶來的問題。無線通信技術(shù)衛(wèi)星地面測(cè)控通信鏈接與中繼鏈路可協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)空中資源優(yōu)化配置。另外，需要由地面測(cè)控通信鏈路主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的詳細(xì)測(cè)量和傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

2 無線通信技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

2.1 通信速率的要求

在發(fā)展過程中，需要考慮通信鏈路的設(shè)計(jì)，制定高速調(diào)制方案，并深入研究大氣信道對(duì)深空光信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽Ａ硗猓捎谏羁展馔ㄐ沛溌肪嚯x較遠(yuǎn)，功率預(yù)算較高，為此還需要綜合考慮各種復(fù)雜因素以制定有效的鏈路預(yù)算。目前，大氣對(duì)光信號(hào)的影響主要以近地FSO網(wǎng)絡(luò)為主，短程FSO通道雖然與深空光通道相似，但也存在區(qū)別，所研究的深空光通信信道包括近地大氣信道和近地真空信道兩種通信信道。由于不同通信信道存在較大差別，因此對(duì)信道進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查極為重要。此外，高速調(diào)制技術(shù)作為深空光通信系統(tǒng)的重要技術(shù)之一，對(duì)深空光通信系統(tǒng)的性能有著重要的影響。

一般來說，強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)和相干調(diào)制/外差檢測(cè)是光通信調(diào)制方案中的兩種系統(tǒng)方案[4]。但這兩種調(diào)制方式限制了信號(hào)調(diào)制后的速率，不能滿足人類對(duì)通信速率和帶寬的要求，需要詳細(xì)研究更有效的深空光通信網(wǎng)絡(luò)路由算法。該算法用于計(jì)算從地球到月球及其他地方的深空通信距離。在不改變基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，DTN可以集成不同類型的網(wǎng)絡(luò)下層協(xié)議，進(jìn)而達(dá)到實(shí)現(xiàn)多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的相互連接。研究發(fā)現(xiàn)，其性能包括可擴(kuò)展性和兼容性。由于不需要更改硬件，因此大多數(shù)設(shè)備具有低成本和良好的可行性。

無線通信與一般的地面通信和微波通信等通信技術(shù)有很大不同，存在時(shí)延大、不連續(xù)、丟包、拓?fù)渥兓瘡?fù)雜以及無線通信鏈路不對(duì)稱等問題[5]。為解決以上問題，有必要詳細(xì)研究月球無線通信技術(shù)的相關(guān)算法。

2.2 軌道位置的選擇

月球中繼通信衛(wèi)星需要具有可靠性的特征，而且由于不同月球探測(cè)任務(wù)所需要的無線通信技術(shù)性能不同，為此需要根據(jù)需要根據(jù)具體的任務(wù)特點(diǎn)作出最合適的軌道位置規(guī)劃。這是因?yàn)檐壍牢恢玫倪x擇能夠直接決定無線通信的覆蓋特性和鏈路功能，而不同的覆蓋特性和鏈路功能適用于不同的月球探測(cè)任務(wù)，因此軌道位置的選擇對(duì)月球中繼通信衛(wèi)星而言至關(guān)重要。

對(duì)于月球和地面光通信鏈路而言，必須考慮大氣的各種吸收和散射衰減。信號(hào)衰減不僅與大氣衰減有關(guān)，還與傳輸距離和通信波長有關(guān)。隨著傳輸距離的增加，衰減損耗逐漸增加。此外，光天線的增益決定了信號(hào)能量的損失率，光天線的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到通信系統(tǒng)的效率和效果。無線通信系統(tǒng)能夠幫助月球背面、月球兩極的隱形探測(cè)以及載人航天器在月球軌道上的隱形探測(cè)和信息實(shí)時(shí)傳遞，因此需要具有強(qiáng)大的信息傳輸任務(wù)保障能力和支持?jǐn)?shù)據(jù)有效保存的能力，從而實(shí)現(xiàn)以100 Mb/s的碼率接收月球探測(cè)器的最新信息，再根據(jù)月球探測(cè)器獲取的探測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)向宇航員發(fā)送語音、視頻等。另外，其還需要對(duì)月球航天器的任務(wù)需求提供必要支持，如支持地面數(shù)據(jù)的注入傳輸和遠(yuǎn)程控制命令執(zhí)行[6]。最后，需要控制信號(hào)傳輸距離造成的延遲，使通信前返回鏈路，特別是月球遙控操作和與宇航員的語音通信鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)延遲低于500 ms。

3 月球無線通信技術(shù)發(fā)展方向

3.1 無線通信衛(wèi)星覆蓋月球軌道

月球軌道的特點(diǎn)是靠近月球表面，可以以相對(duì)較低的成本進(jìn)行高速中繼通信。通過研究其動(dòng)力學(xué)特性發(fā)現(xiàn)，無線通信無法與其他衛(wèi)星持續(xù)通信。如果用兩顆衛(wèi)星進(jìn)行信號(hào)傳輸，雖然也可以在一定程度上解決這個(gè)問題，但會(huì)造成運(yùn)行成本增加的問題，而且會(huì)導(dǎo)致測(cè)控管理更加煩瑣復(fù)雜。為此，需要對(duì)中繼通信衛(wèi)星的具體位置進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其在位于地球與月球的平行軌道時(shí)，可以通過校正該軌道，以單顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)月球背面的通信，并實(shí)現(xiàn)其與地面的高效數(shù)據(jù)傳輸。

隨著探月任務(wù)的發(fā)展，月球探測(cè)器可能會(huì)在不同的月球軌道和月球表面位置上運(yùn)行，因此月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)必須對(duì)整個(gè)月球軌道和月球表面進(jìn)行覆蓋和測(cè)控，以為各種航天器提供連續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)傳輸。未來將逐步對(duì)月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)，發(fā)展由多軌衛(wèi)星組成的通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)月球通信的全覆蓋，并研究無線通信衛(wèi)星系統(tǒng)以滿足探月任務(wù)中通信需求[7]。而且一旦能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信系統(tǒng)的月球范圍全覆蓋，就可以有效將地球和月球的平移軌道與衛(wèi)星進(jìn)行結(jié)合，形成綜合服務(wù)保障優(yōu)勢(shì)[8]。但在此過程中，必須保證各平臺(tái)資源的共享，以提高中繼通信的碼率，從而達(dá)到滿足大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

3.2 形成一體化的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

為實(shí)現(xiàn)月球無線通信衛(wèi)星系統(tǒng)的系統(tǒng)化發(fā)展，需要考慮中繼通信、深空探索任務(wù)以及月球探測(cè)任務(wù)的需求。由于深空通信的信息損失較大，同時(shí)深空探測(cè)時(shí)由于能源限制，因此難以像地球站那樣形成高功率，這就給高速數(shù)據(jù)傳輸帶來困難。在探月通信時(shí)的實(shí)時(shí)遙控幾乎無法對(duì)航天器平臺(tái)以及有效載荷產(chǎn)生有效控制，在這種情況下必須綜合考慮火星探測(cè)和小行星探測(cè)等深空探測(cè)任務(wù)的需求，不斷對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)[9]。月球無線通信衛(wèi)星系統(tǒng)由地球軌道中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)和用戶航天器等組成的陸空數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中心能夠進(jìn)行穩(wěn)定可靠的無線通信導(dǎo)航規(guī)劃，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，從而協(xié)助各種探測(cè)任務(wù)[10]。此外，在進(jìn)行無線通信技術(shù)改進(jìn)的過程中還需要實(shí)時(shí)觀察國際前沿技術(shù)，及時(shí)吸收國際上的先進(jìn)技術(shù)以改進(jìn)我國無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)我國無線通信技術(shù)的快速發(fā)展。同時(shí)還可以設(shè)計(jì)激光測(cè)控系統(tǒng)，提高遠(yuǎn)距離、長延遲以及弱信號(hào)測(cè)量的無線電頻率，以消除深空探測(cè)任務(wù)中的通信困難，為通信一體化奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

未來，月球中繼通信系統(tǒng)的開發(fā)和導(dǎo)航定位功能的開發(fā)需要同時(shí)進(jìn)行，綜合保障各項(xiàng)功能，以執(zhí)行通信系統(tǒng)接入方式等關(guān)鍵鏈路設(shè)計(jì)任務(wù)。還可以吸收其他先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，為工程實(shí)施提出建議，并促進(jìn)相關(guān)成果的運(yùn)用，以此為我國未來月球極地探測(cè)和月球研究基地等大型常駐任務(wù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定參考。最后，還需要進(jìn)行平臺(tái)資源共享和信息共享，以有效降低系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)成本，為探月任務(wù)提供更全面的保障。